随着激光技术的飞速发展,TW激光和飞秒激光的实现,超短超强激光与物质相互作用引起了科学家广泛的研究兴趣。其中,由于在质子成像、激光聚变快点火、治疗癌症、产生高能量密度物质中有着广泛的应用前景,基于超强激光与等离子体相互作用产生高能离子束,成为目前国际上研究的热点课题。近十年来,相关理论、实验研究不断取得突破性进展。目前,人们通过理论和实验提出并印证了多种激光等离子体相互作用加速离子的加速机制。然而,关于激光等离子体加速离子物理机制的研究大都关注于高密度薄膜靶或者固体靶,这是因为在激光强度不够高的时候,只有固体靶能够驱动出足够高密度的电子,从而利用电子-离子间的电荷分离场来加速离子。但是近年来,一些物理学家发现,在超高强度的条件下,激光与低密度等离子体相互作用也会产生很强的耦合,这为加速离子提供了可能性,而且,有可能形成束流品质更好的离子束。于是,我们的研究集中于低于临界密度的等离子体中的离子加速。我们通过PIC数值模拟方法结合理论分析,研究了亚临界密度等离子体中的离子加速现象及物理机制。在鞘层靶背法向加速(TNSA), BOA (Breakout afterburner acceleration)加速,磁涡旋加速机制和W-BOA(尾波场BOA)加速机制共同作用下,最终可以获得最高能量达1.66GeV的质子,而且束团具有较小的发散角和较窄的能量分布,整个加速的距离可以达到毫米量级,加速时间也长达皮秒量级。然后,我们进一步研究了亚临界密度等离子体中离子加速效果的参数依赖,发现只有达到一定强度的激光与适当密度等离子体相互作用才会产生在时间尺度和空间尺度上都较大的加速过程。我们提出亚临界密度等离子体加速离子是对超强激光与等离子体相互作用加速离子束这一领域的理论的拓展,而且不需要设计和使用复杂的靶结构,利用气体靶在实验上可以方便的实现,产生高品质的准单能质子束团。如果能进一步发展成熟,将促成其在治疗癌症、快点火等领域的应用。